Nguyên lí kỹ thuật điện tử ( Nxb Giáo Dục 2005 ) - Chương 9 doc

Trừ một số trường hợp các thiết bị điện tử được thiết kế chỉ dùng các nguồn điện hoá như pin, ắc-quy; trong nhiều trường hợp nguồn nuôi một chiều được tạo ra bằng cách biến đổi và chỉnh

chương 9

Nguồn nuôi một chiều

Nguồn nuôi một chiều là cần thiết cho mọi thiết bị điện tử Trừ một

số trường hợp các thiết bị điện tử được thiết kế chỉ dùng các nguồn

điện hoá như pin, ắc-quy; trong nhiều trường hợp nguồn nuôi một chiều

được tạo ra bằng cách biến đổi và chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 50 Hz

từ mạng điện công nghiệp thành phố Như tại chương 4 về mạch chỉnh lưu dùng diode bán dẫn đ∙ nói, do có gợn sóng biên độ gây ra bởi sự biến đổi giá trị tức thời của nguồn điện áp xoay chiều nên cần có bộ lọc thông thấp để san bằng gợn sóng Cũng do thăng giáng của nguồn

điện vào và thăng giáng của tải cùng các biến động khác nên muốn có

được điện áp ra bộ nguồn ổn định thì phải thiết kế thêm các mạch ổn áp (hoặc ổn dòng) để bù trừ các biến động này Sơ đồ khối của một nguồn nuôi một chiều nói chung được biểu diễn trên hình 9.1

Hình 9.1 Sơ đồ khối của nguồn nuôi có ổn áp

Biến áp là thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều lối vào (thí dụ, 220V~) thành điện áp xoay chiều lối ra có biên độ cần thiết

Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều bên thứ cấp biến áp thành điện áp một chiều có biên độ biến đổi mấp mô

Mạch lọc thông thấp san bằng các mấp mô, chặn các thành phần sóng xoay chiều và chỉ cho thành phần một chiều có biên độ không đổi

đi đến tải

Bộ ổn áp (hoặc ổn dòng) có nhiệm vụ làm ổn định điện áp (hoặc dòng

điện) ở lối ra trên hai đầu tải cho dù các điện áp trước đó hay trở tải thay đổi trong một giới hạn nào đó

Dưới đây sẽ điểm qua một số loại nguồn nuôi và mạch ổn áp

9.1 Các bộ chỉnh lưu không điều khiển

Các bộ chỉnh lưu một nửa chu kỳ và hai nửa chu kỳ đ∙ được trình bày trong chương 4 Hình 9.2 là các sơ đồ chỉnh lưu thông dụng Bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ hình 9.2.a đ∙ được trình bày tại chương 4 Nếu điện trở tải đủ lớn thì thế ra bằng thế đỉnh (biên độ sóng sin) Như trên hình cho thấy nếu thế hiệu dụng xoay chiều ở lối ra cuộn thứ cấp biến áp là 6VAC thì thế ra trên tải cỡ 6ì 2≈8 , 5 V một chiều Dạng sóng lối ra khi không có bộ lọc và có bộ lọc như hình 9.2.b Bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng 2 diode với biến áp có điểm giữa nối đất (hình 9.2.c) cho phép tiết kiệm được 2 diode nhưng cuộn thứ cấp biến thế cuốn có phức tạp hơn do cần đưa ra điểm giữa của cuộn dây Dạng sóng lối ra trên hình 9.2.d cho thấy hiệu quả lọc sẽ tốt hơn do lối ra tồn tại cả hai nửa chu kỳ sóng sin Thay vì cho sơ đồ hình 9.2.c thường hay dùng bộ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ kiểu nắn cầu như hình 9.2.e Sơ đồ nguồn chỉnh lưu lưỡng cực ± ECcho trên hình 9.2.f

Hình 9.2 Một số nguồn một chiều thông dụng

9.1.2 Lọc gợn sóng lối ra trên trở tải

Trong các sơ đồ trên, điện áp ra trên tải mới là một chiều nhưng có biên độ còn biến đổi theo sóng hình sin Muốn có được điện áp ra một chiều có biên độ bằng phẳng (không đổi) phải mắc song song với tải một

tụ điện C có điện dung đủ lớn như đ∙ nói trong chương 4 Vì điện trở thuận r d của diode rất nhỏ và r d << R T nên hầu như tụ được nạp tới gần thế đỉnh của điện áp xoay chiều trong mỗi chu kỳ Tiếp đó do điện áp xoay chiều giảm xuống theo dạng hình sin và sang chu kỳ âm (nếu là chỉnh lưu nửa chu kỳ) nên thế anode của diode trở nên thấp hơn thế kathode (là thế trên tụ điện), do vậy diode bị cấm Tụ lúc này sẽ phóng

điện qua điện trở tải với hằng số thời gian bằng R T C lớn hơn nhiều hằng

số thời gian khi nạp Đường phóng điện theo hàm e mũ được suy giảm rất

chậm cho tới khi gặp sườn lên của chu kỳ dương sóng hình sin tiếp theo Kết quả là ta sẽ có một điện áp lối ra trên tải tương đối bằng phẳng như hình 9.3 Trên hình cũng cho thấy dòng điện chảy qua diode chỉ xuất hiện khi diode được phân cực thuận trong một phần nhỏ nửa chu

kỳ điện áp xoay chiều Trị trung bình của dòng này quyết định đến khả năng chịu nhiệt của diode và càng nhỏ khi trở tải càng lớn Nếu nhìn nhận theo quan điểm phổ thì phổ Fourier của điện áp ra trên tải sau chỉnh lưu khi chưa mắc tụ điện bao gồm thành phần một chiều và các thành phần xoay chiều có tần số bằng và lớn hơn tần số mạng điện công nghiệp 50Hz Do vậy muốn điện áp ra này hoàn toàn là một chiều

thì phải dùng một mạch lọc tần thấp bao gồm các phần tử r d , C và R Tlàm suy giảm hết các thành phần xoay chiều trên

tần thấp nữa, đặc biệt

là mạch có cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải Trong kỹ thuật, thường

đánh giá phẩm chất của mạch lọc chỉnh lưu bằng tỷ số mấp mô

đường phóng điện của tụ qua tải gặp sườn lên của nửa chu kỳ sau điện

áp xoay chiều Cho giá trị tải, ta có thể tính được điện dung C tối thiểu

để đảm bảo một tỷ số mấp mô cần thiết Thí dụ cho trở tải R T = 10 kΩ,

chỉnh lưu nửa chu kỳ và tỷ số mấp mô k c =1% Tính C ?

0

1 0 0 0

U

sin U U U

U = ư = ư θ ư θ ω = ư θ + π ư π ω (9.2) Tại góc θ3 thoả m∙n cả hai đường phóng điện dạng e mũ và đường sin,

có phương trình:

1 0 RC / 4 / 3

4

3 k 1 arcsin C

Thay các số vào có:

(1 0 , 01) 120 . 10 F 120 F

ln 10 50 2

4 / 3 01 , 0 1 arcsin

Trong các bộ chỉnh lưu nói trên, điện áp ra một chiều không tải cực

đại cũng chỉ bằng biên độ thế lối vào xoay chiều

Trong một số trường hợp, khi cần một điện áp ra có giá trị cao hơn

mà vẫn chỉ dùng điện áp vào xoay chiều có biên độ thấp thì phải cần

dùng bộ chỉnh lưu bội áp

Hình 9.4 là sơ đồ bộ chỉnh lưu

nhân đôi thế Trong nửa chu kỳ vào

âm, dòng điện sẽ nạp cho tụ C1 qua

diode D1 với thế phân cực trên tụ như

hình vẽ Độ lớn của thế này đơn giản

bằng biên độ điện áp vào xoay chiều

Trong nửa chu kỳ dương tiếp theo,

dòng điện sẽ đi qua C1D2 và nạp điện

cho C2 Như vậy điện áp nạp cho C2 lúc

này sẽ bằng tổng biên độ điện áp vào xoay chiều trong nửa chu kỳ dương cộng với thế trên tụ C1 đ∙ được nạp sẵn trong nửa chu kỳ âm của nguồn điện vào Hay nói cách khác thế trên tụ C2, tức là thế cấp cho tải, bằng 2 lần biên độ điện áp vào xoay chiều

Hình 9.5 là sơ đồ bộ chỉnh

lưu nhân thế bội áp nhiều lần

Trong nửa chu kỳ âm thứ nhất,

thế bằng U 2 ~ + U C2 = 3U 2 ~ Tuy nhiên do C 1 đ∙ được nạp đến thế U 2 ~ nên C 3 sẽ

được nạp đến thế U C2 = 2U 2~ Lý luận tương tự cho mắt thứ 4 và các mắt tiếp theo

9.2 Bộ chỉnh lưu có điều khiển

Bộ chỉnh lưu có điều khiển sử dụng linh kiện thyristor hoặc triac cho phép điều chỉnh dễ dàng công suất ra trên tải bằng cách điều chỉnh thời điểm mồi (điều chỉnh pha) thích hợp Hình 9.6 là một sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển sử dụng thyristor Sơ đồ này cho phép dễ dàng

điều chỉnh công suất ra trên tải (thí dụ, điều chỉnh độ sáng tối của một tải là bóng đèn dây tóc) Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ là biến đổi góc pha mở thyristor ϕ (thời điểm mở thyristor trong phạm vi một chu

kỳ điện áp vào UAK) sẽ biến đổi được công suất ra trên tải do công suất dòng một chiều tỷ lệ với bình phương của dòng chỉnh lưu

Hình 9.6 Sơ đồ điều chỉnh công suất ra trên tải

Nhìn vào sơ đồ mạch ta thấy, khi bắt đầu nửa chu kỳ dương thyristor ở vào trạng thái cấm Tụ C sẽ được nạp điện qua mạch gồm biến trở P và điện trở tải RĐ với hằng số thời gian PRĐC Linh kiện mắc nối

tiếp với cực điều khiển của thyristor và song song với tụ C gọi là diac

Diac là một linh kiện có đặc tính giống như thyristor nhưng không có cực điều khiển, chỉ có 2 cực anode và kathode như một diode Nó sẽ chuyển từ trạng thái cấm sang thông rất nhanh khi thế trên hai cực

đạt tới một giá trị ngưỡng Umồi nhất định Khi thế tụ điện C (bằng thế trên diac) đạt tới Umồi thì diac chuyển sang trạng thái thông Tụ phóng

điện qua diac tạo thành một xung dương đưa vào cực cửa điều khiển, làm cho thyristor thông Lúc này toàn bộ điện áp nguồn được đặt lên

trở tải đèn RĐ Thyristor sẽ thông cho tới hết nửa chu kỳ dương Tới nửa chu kỳ dương tiếp theo quá trình tiếp diễn như vậy

Vậy bằng cách điều chỉnh giá trị của biến trở P, ta có thể biến đổi

được hằng số thời gian nạp điện cho tụ và có nghĩa là biến đổi góc pha

mở ϕ cho thyristor Nhìn trên giản đồ thời gian ta thấy góc mở này quyết định công suất trung bình, công suất hiệu dụng sản ra trên tải Góc mở ϕ càng lớn, công thế hiệu dụng và công suất trên tải càng nhỏ,

đèn càng sáng yếu

9.3 Mạch ổn áp kiểu bù

Mạch ổn áp cho phép một sự ổn định của điện áp lối ra trong một dải biến đổi của điện áp nguồn vào cũng như sự biến đổi của các thông số khác như: trở tải, thăng giáng nhiệt độ môi trường, v.v Thường quan tâm đến định nghĩa hệ số ổn áp cho biết điện áp lối ra bị ảnh hưởng bao nhiêu khi điện áp nguồn vào biến thiên 10%:

% 100 U

U k

const R , T

% 10 n ê thi biến U ra

ra S

T V

ìΔ

lượng và đáp ứng hầu hết các yêu cầu thực tế Có thể phân loại theo

kết cấu sơ đồ bộ ổn áp kiểu bù gồm 2 loại: kiểu bù nối tiếp (hình 9.7.a) và

bù song song (hình 9.7.b) Trong đó, C là phần tử điều chỉnh, KĐSS là phần

tử khuếch đại và so sánh, Ech là nguồn điện áp chuẩn, RS là trở hạn chế dòng

Nguyên tắc hoạt động của bộ ổn áp nối tiếp như sau: do một nguyên nhân nào đó dẫn đến làm biến đổi điện áp một lượng nào đó Lượng này

được so sánh với điện áp chuẩn Uch tại phần tử khuếch đại so sánh KĐSS Lối ra của bộ KĐSS là biến động ΔU T =U T ưU ch sẽ tác động lên phần tử

điều khiển C Vì C được mắc nối tiếp với trở tải nên sự tác động này được thiết kế sao cho sụt áp trên C tăng hay giảm để bù lại sự giảm hay tăng của điện áp trở tải Do vậy mà điện áp trên tải được bù giữ không đổi Nguyên tắc hoạt động của bộ ổn áp song song là như sau: như ở bộ

ổn áp nối tiếp, phần biến động ΔU T =U T ưU ch được phát hiện bởi phần tử khuếch đại so sánh KĐSS và nguồn áp chuẩn sẽ tác động lên phần tử

điều khiển C làm thay đổi dòng qua nó Do C được mắc song song với tải qua trở RS nên dòng này sẽ có xu hướng điều chỉnh sự tăng hay giảm sụt áp trên RS theo xu hướng bù lại sự giảm hay tăng áp trên trở tải: nếu điện áp trên trở tải tăng thì dòng qua C sẽ tăng làm dòng qua tải giảm dẫn tới thế trên đó không đổi , v.v

Ta sẽ xét một mạch ổn áp nối tiếp một tầng cụ thể dùng bộ lặp lại emitter đơn giản nhất như hình 9.8.a Trong sơ đồ này, trở tải RT giữ vai trò như trở emitter RE trong bộ khuếch đại lặp lại emitter mà ta đ∙ khảo sát trước đây

Trong sơ đồ, diode zener đượcphân cực ngược tạo ra nguồn điện áp

chuẩn U ch Transistor đóng cả hai vai trò khuếch đại so sánh và điều

chỉnh Giả sử vì một lý do nào đó U 1 tăng → U2 tăng Nhưng do U 2 chính là

U E và U B chính bằng U ch không đổi, nên kết quả là U BE = U B ư U E giảm → dẫn

tới làm giảm dòng I C và giảm dòng I E , chính là dòng qua tải Kết quả là

thế trên tải bằng I T R T giảm Sơ đồ được thiết kế sao cho thế ra giảm đi

một lượng đúng bằng sự tăng và ta có U 2 được giữ không đổi

Theo hình dễ thấy điện áp ra của bộ ổn áp bằng: U 2 =U T =U chưU BE

Điện trở ra bằng chính trở ra của bộ lặp lại emitter:

2

T BE

1 1

Nếu cần điều chỉnh điện áp ra thì có thể sử dụng sơ đồ 9.8.b trong đó

một phần điện áp chuẩn được trích từ điểm giữa con chạy biến trở P

Điện trở của biến trở cần nhỏ hơn r BE để không làm tăng trở ra của mạch

Khi cần dòng ra ổn áp lớn thì dùng sơ đồ hình 9.8.c trong đó dùng 2 transistor T1 và T2 mắc daclington để tăng dòng tải

Sơ đồ hình 9.9 là sơ đồ bộ ổn áp hai

tầng dùng transistor Diode Zener

đóng vai trò nguồn điện áp chuẩn,

đảo được nối với lối ra nên điện ra ra của bộ ổn áp trong trường hợp này luôn được giữ bằng điện áp đầu vào không đảo tức là bằng điện áp

chuẩn (thực ra sai khác vài chục micrô vôn) Hai hình 9.10.b và 9.10.c là các sơ đồ bộ ổn áp điều chỉnh được điện áp ra và rất ổn định Điện áp ra trong các trường hợp được điều chỉnh bởi vị trí tiếp điểm của con chạy biến trở P và này sẽ nằm trong dải lớn hơn điện áp chuẩn của diode zener Đây là điều ở các bộ ổn áp hình 9.8 không thể có được Hình 9.10.c

có điểm đặc biệt là diode zener được cấp thế qua trở R1 không phải từ nguồn chưa ổn áp mà là từ nguồn đ∙ ổn áp Do vậy các biến thiên từ nguồn vào hầu như không ảnh hưởng tới điện áp chuẩn do diode zener tạo ra nữa Mạch này có độ ổn định cao

ư +

Cấu tạo bên trong của các vi mạch ổn áp này có sơ đồ điển hình như hình 9.11

Hình 9.11 Cấu tạo bên trong của một vi mạch ổn áp

Trong mạch dùng diode D2 làm nguồn điện áp chuẩn Uch Do phản hồi

âm tạo bởi phân áp R1 R2 nên thế ổn áp ra được xác lập bằng :

) R / R

1

(

U

U 2 = ch + 2 1

Tụ Ck dùng để hiệu chỉnh tần số của sơ đồ nhằm chống tự kích

Với loại có điện áp ra cố đinh, điển hình là các họ vi mạch 78-xx và 79-xx Họ này là các vi mạch ổn áp có 3 chân ra: đầu vào, đầu ra và đầu nối đất, dòng điện áp ra cực đại thường cỡ 1A với điều kiện vi mạch được gắn cánh toả nhiệt thích hợp Loại 78xx cho các vi mạch có điện áp vào

có dải từ 5 VDC đến 30 VDC, điện áp ra cố định +5 V với loại 7805, +12V với loại 7812, v.v Loại 79xx cho các vi mạch ổn áp có dải điện áp vào từ -5 VDC đến -35 VDC; điện áp ra cố định -5 V với loại 7905, -12V với loại 7912, v.v Với loại có điện áp ra biến đổi được, thí dụ vi mạch LM-327 cũng có 3 chân ra: đầu vào, đầu ra và đầu nối với biến trở điều chỉnh Đầu kia của biến trở được nối với đất Loại này cho điện áp vào từ +5 VDC đến 35 VDC và có thể nhận được điện áp ra ổn áp với giá trị tuỳ ý trong dải từ +3 V đến +30 V được điều chỉnh bằng biến trở Hình dạng và chân nối của hai vi mạch ổn áp cố định 7805 và 7905 và vi mạch ổn áp có thể điều chỉnh

điện áp ra được LM-327 cho trên hình 9.12 Các loại khác cũng có hình dạng tương tự

Kim loại toả nhiệt

Vỏ cách điện

Hình 9.12 Hình dạng và chân nối của các vi mạch 7805 và 7905

Ngoài ra còn có loại vi mạch ổn áp có hệ số ổn áp cao hơn các loại

kể trên, nhưng có dòng tải nhỏ chỉ cỡ vài chục mA Thí dụ như loại

μA-723 là vi mạch được đóng vỏ 14 chân, hai hàng Thường loại này được sử dụng trong các mạch điều khiển đòi hỏi độ ổn định cao, còn phần công suất được nó điều khiển là các transistor hoặc vi mạch công suất lớn Sơ đồ khối và hình dạng của vi mạch này cho trên hình 9.13

Hình 9.13 Sơ đồ khối và hình dạng vi mạch ổn áp μA-723

Hình 9.14 là một số sơ đồ ứng dụng của các vi mạch ổn áp loại 7805 và

7905 Các loại với thế ổn áp khác về nguyên tắc cũng được dùng tương

tự Nhìn chung việc sử dụng chúng rất thuận tiện và dễ dàng Hình 9.14.a

là sơ đồ tạo thế ổn áp cố định +5V từ vi mạch 7805 Khi cần nâng cao dòng ra của bộ ổn áp có thể đấu thêm một transistor công suất phụ như hình 9.14.b Cùng với các transistor bên trong vi mạch, nó tạo ra một sơ đồ Daclington cho phép dòng ra bộ ổn áp tăng lên

transistor nối tiếp Khuêch đại

ch

+Vcc VC Lối ra

Hình 9.14 Một số sơ đồ nguồn ổn áp dùng vi mạch có thế ổn áp cố định

Trong trường hợp cần thế ra ổn áp cao hơn +5V nhưng chỉ có vi mạch 7805, có thể dùng sơ đồ hình 9.14.c trong đó diode ổn áp (zener) có thế UZ được mắc trong mạch giữa chân 3 của vi mạch với đất Cách này cho phép điện áp ra được tăng lên một lượng bằng UZ Điện trở R dùng

để điều chỉnh dòng của diode ổn áp đến một giá trị gần cố định

R /

Hiệu suất của mạch ổn áp với các phần tử tích cực (như transistor,

vi mạch) chạy trong chế độ liên tục như kể trên phụ thuộc nhiều vào công suất tổn hao trên phần tử điều chỉnh là các transistor công suất

ra Có thể giảm công suất tổn hao này nếu cho transistor làm việc ở chế độ xung Ta có loại ổn áp xung hay còn gọi là bộ ổn áp chuyển mạch (đóng - ngắt) Transistor điều chỉnh trong bộ ổn áp này được thiết kế làm việc ở một trong hai trạng thái: thông b∙o hoà (đóng) và cấm (ngắt) Khi thông, transistor dẫn năng lượng từ nguồn ngoài đến

-